结构界面层力学行为演化研究,物理力学论文

1. 绪论

近些年，众多学者采用大量的物理试验以及工程实例向我们展示了应变局部化所带来的剪切带以及界面层现象，使得对这一现象的认识更为深刻。但纵观国内外对于此问题的研究趋势与研究成果可以发现，针对剪切带及界面层的研究仍存在几方面的不足：1）自上世纪 70 年代至今，研究手段从砂土材料的物理试验发展至细观数值试验（颗粒流），能够实现从砂土物理试样及颗粒流试样中再现应变局部化现象，但因砂土材料的软化特性及应变局部化网格畸变等数值计算难点，使得对应变局部化问题进行连续介质力学层面的模拟计算一直受限，规模化岩土工程模拟计算中也就难以考虑应变局部化问题；2）对于粗粒土内部剪切带及粗粒土-结构间的界面层研究，受当前物理试验条件的限制，基本集中于常规压力等级条件，缺乏考虑高压下存在颗粒破碎条件的应变局部化问题研究，这使得对存在颗粒破碎条件的岩土应变局部化问题的认识存在不足；3）对于土-结构接触单元与接触模型的研究自上世纪 60 年代至今从未间断，接触单元也从无厚度单元向有厚度单元发展，接触模型由简单的弹性模型发展至弹塑性模型，但对接触单元厚度的确定及接触模型类型的选用一直是各执己见，未能有统一的认识。

2. 砂土强度、变形特性试验研究

2.1. 不同压力等级下砂土强度、变形特性直剪试验
砂土强度、变形特性的直接剪切试验工作依托实验室自主研发的 DRS-I 型超高压直残剪试验装置，如图 2-1 所示。该装置由加载系统、控制系统、测量系统及数据采集系统构成。试验过程中采用计算机自动控制，剪切荷载、竖向荷载、剪切位移、竖向位移等试验参数均由传感元件及数据转换卡自动采集和输出。为能在试验中考虑颗粒尺寸对砂土强度、变形特性的影响，同时也为将来对更大尺寸范围内的粗粒土材料进行界定，论文采用 ISO 标准砂经筛分获得的不同粒径范围的砾砂(1-2 mm)、粗砂(0.5-1 mm)及细砂(0.075-0.25 mm)作为试验材料，如图 2-2。

2.2. 不同压力等级下砂土强度、变形特性三轴试验
前一节已经由直接剪切试验展示了砂土的剪切强度与变形特征，明确了砂土材料常压至高压条件下相关特性的改变，那么系统获得砂土的强度、变形特性参数以用于构建适用于不同压力条件下能够体现其特征的砂土模型便成为重要环节。本节开展了常压至高压条件下砂土三轴压缩试验，系统分析砂土材料在低压至高压范围内的强度、变形特性，获得其特征参数以为下一章节建立砂土模型提供支撑。考虑试验砂土的最大粒径为 2mm，三轴压缩试验的试样尺寸选定为 39.1mm 80mm，符合允许最大粒径小于试样直径的 1/10 的规定。试验围压采用常压、中压和高压三种，常压试验指围压不超过 800 kPa，中压是指围压大于 800 kPa 而不大于 2000 kPa，高压指围压超过 2000 kPa。针对三种粒组砂土设计进行最小围压为 200 kPa、最大围压为 6400 kPa 共计 27 组常规三轴压缩试验。

3. 砂土高、低压模型研究................................... 55

3.1. 砂土高、低压模型理论..................................... 55

3.2. 屈服面演化分析及模型参数获取 ................................... 66

3.3. 本章小结............................... 79

4. 砂土-结构面接触剪切试验研究及结构面描述 ............................... 80

4.1. 砂土-结构面接触剪切试验研究...................................... 80

4.2. 砂土-结构接触类型及结构面特征描述方法............................................ 90

4.3. 本章小结.................................. 98

5. 剪切带、界面层的无网格模拟方法及模型子程序开发............................ 99

5.1. 剪切带、界面层模拟方法........................... 99

6. 砂土剪切带及砂土-结构界面层模拟计算

6.1. 计算模型与方案
利用前一节编译生成的新的求解器，首先对砂土材料进行受力变形模拟计算，获得砂土材料的力学特性以及剪切带的产生、发展过程，，这也是对所构建的砂土模型能否反映砂土材料相关特性的一个验证与评价，同时也可确定将所构建砂土模型接入无网格方法进行相关问题数值模拟的可行性。在证实论文所构建砂土模型接入 SPH 方法用于计算的可行性与合理性的基础上，对砂土-结构界面剪切试验进行模拟，获得界面剪切过程中界面层的发生、发展过程及受边界条件的影响规律，以能够对界面层的产生、发展机制有更深刻的认识。砂土自身力学特性的计算模型如下图 6-1 所示，鉴于 SPH 方法目前还尚未成熟，内部边界条件施加特别是轴对称问题的光滑节点排布与径向力施加还有待进一步完善。因此，论文计算选用相对完善的块体几何模型以模拟砂土平面应变的双轴压缩剪切问题，模拟过程中对试样前后方向施加对称约束，形成平面应变模式。模拟中平面应变模型可以较为直观地呈现试样的变形发展趋势。

6.2. 砂土双轴试验结果及分析
从图 6-3(a)(c)(e)中可以看出，三种粒组砂土在常围压条件下的轴向应力-轴向位移曲线存在明显的峰值点，呈现应变软化特征，并最终趋于平缓；在高围压条件下的砂土应变软化特征消失，随围压增大逐渐呈现应变硬化特征。这一结果与试验获得结论吻合，提取计算过程中的单元体积总和，可以得到试样在剪切过程中的体积变化量，图 6-3(b)(d)(f)为双轴试验模拟的压缩剪切体变与轴向应变关系曲线。可以看出，三种砂土在常围压下的剪切过程中试样体积随轴向应变发展先减小而后逐渐增大，并最终稳定，体积增大趋势随着围压的增大而逐渐减弱，由常压下的剪胀趋势逐步转变为高压下剪缩趋势。比较图中三种砂土在中压条件下的轴向应力-轴向位移以及剪切体变-轴向位移关系曲线可以发现，砾砂在中压条件下表现出了应变硬化与剪缩特征，而粗砂、细砂则仍呈现出一定程度的应变软化与剪胀特征。
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7. 结论与展望

论文采用室内试验、理论分析以及数值分析为研究手段，对砂土力学特性、砂土模型、砂土-结构面接触剪切作用机制以及砂土剪切带、砂土-结构界面层的演化模拟计算问题进行了研究。获得以下结论：（1）砂土的等向压缩曲线呈指数衰减型，在高压阶段，砂土颗粒出现了一定量的破碎，导致砂土内部组构发生改变，破碎颗粒充填砂样原有结构，使得砂样孔隙比迅速减小，砂样孔隙比-竖向压力间的拟合关系可表示为 e   a   b   exp   c   ln p 。砂土的压缩特性具有明显的粒径效应，大尺寸砂土颗粒在高压力下较小尺寸颗粒更易破碎，进而会产生更大的孔隙比变化。（2）砂土在常、中围压条件下（0.2MPa-2.0MPa）的偏应力-轴向应变关系曲线呈应变软化特征，剪切过程有显著的剪切体缩趋势；在高围压条件下（2MPa-6.4MPa），砂土三轴压缩应变软化特征逐渐消失，逐渐呈现应变硬化特征，剪切体胀趋势减弱并转变为剪切体缩。（3）砂土材料的三轴压缩剪切峰值应力比受砂土粒径、围压共同影响，不同粒径、不同围压下的峰值强度公式不同，影响了经典的 M-C 强度准则在高压条件下的应用。采用残余应力比获得的强度公式则基本不受粒径、围压影响，不同粒组、不同围压下的强度公式一致，是典型的无粘性摩擦型岩土材料的力学特性参数。因此，由残余应力比获得的残余强度应作为砂土基本力学参数，在砂土模型予以体现。
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参考文献（略）